上海浦东地区冬季大气PM2.5和PM10污染特征分析

李嘉绮,李秀丽,杨迪菲,陶　颖

(上海第二工业大学环境与材料工程学院,上海201209)

上海浦东地区冬季大气PM2.5和PM10污染特征分析

李嘉绮,李秀丽,杨迪菲,陶颖

(上海第二工业大学环境与材料工程学院,上海201209)

为了解上海浦东地区冬季大气PM2.5和PM10污染特征和状况,以上海第二工业大学作为监测点进行了为期3个月的连续自动监测,并对污染物进行了分析。结果表明,监测时段内该地区空气污染情况较为严重,PM2.5和PM10日均浓度均超过我国现行的国家空气二级质量标准浓度限值。根据污染物形态和成分分析结果,综合气象、地理因素可见：该地区大气颗粒物污染以外部输入为主,本地道路扬尘、汽车尾气等对其也有较大的贡献;污染物中含有多种重金属元素,对空气质量和人体健康危害较大。

PM2.5;PM10;质量浓度;污染特征

0　引言

对于环境科学来说,悬浮粒子特指空气中那些微细污染物,是空气污染的一个主要来源,其中可吸入悬浮粒子,又称为PM10(即空气动力学当量直径小于10µm的颗粒物),易进入人的呼吸道,对人体健康构成危害[1];由于它能在大气中长期漂浮,易被大气带到很远的地方,导致污染范围扩大,同时在大气中还可为化学反应提供反应床。PM2.5,是大气中空气动力学当量直径小于2.5µm的颗粒物,也称为可入肺颗粒物,能够通过呼吸等途径进入人体,并能沉积在呼吸道甚至肺泡中。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分,但它对空气质量和能见度等有重要的影响[2]。由于PM2.5粒径小,可富集、携带多种致癌和有毒物质,如PAHs、重金属元素等,且在大气中停留时间长、输送距离远,与较粗的大气颗粒物相比,对人体健康和大气环境质量的影响更大[3]。

上海作为一个国际性的大都市,近年来,随着市区以及周边地区经济的高速发展和能源消耗总量的快速增长,各种污染物的排放所引起的大气污染问题日益成为制约社会经济持续发展的瓶颈。据上海环境公报[4]报道,细颗粒物(PM2.5)已经成为上海大气的首要污染物。目前,空气污染特征已从煤烟型污染转变为煤烟型和石油型混合污染,大气中的细颗粒物增加,污染加重[5]。虽然近年来针对上海大气颗粒物研究的报道也开始增多[6-8],但监测点主要位于松江、宝山、嘉定等高校和研究所集中地区。本文以位于上海市浦东新区曹路镇的上海第二工业大学作为监测点,对大气PM2.5和PM10进行了为期3个月的连续自动监测,通过对监测数据的筛选和分析,揭示该地区冬季大气PM2.5和PM10的污染特征。

1　数据采集和样品分析

1.1监测点的地理位置

浦东新区位于上海市东部(如图1中虚线所围区域),为长江冲积层,平均海拔3.87 m,北邻长江入海口,东邻东海,南为杭州湾,具有明显的海洋性气候特征,一年当中四季分明、气候宜人,年均气温15.7°C,年降水量1 100 mm。上海第二工业大学所处曹路镇位于浦东新区北部,距离正在建造的上海迪斯尼乐园约15 km,方圆20 km内无重污染工业场所。监测点附近车流量较大的主干道路有3条,分别是位于监测点西面直线距离约700 m的上海外环高速S20,位于监测点北面直线距离约800 m的金海路和位于监测点东面直线距离约2.7 km的川沙路。

图1　监测点位所在地区图Fig.1 Map of the monitoring sites

1.2数据采集

采用丹东百特环境空气颗粒物PM2.5和PM10自动监测仪实时监测环境空气中PM2.5和PM10的质量浓度。该仪器采用国内外首创的直接重量法技术,用1/100 000精密天平直接称量滤膜上PM2.5和PM10颗粒的质量,配合精密的空气流量计,从而准确得出空气中PM2.5和PM10的含量。该仪器的测量范围为0～1 000 mg/m3;最低检测限为(24 h) 0.5µg/m3,且能自动校准,误差小于1µg。

本研究监测点设于上海第二工业大学(121.63°E,31.25°N)环境楼楼顶(距地面4层楼高,高度约16 m),四周为宽阔的荒地以及一些低矮的房屋,无高大建筑。

本研究连续监测收集2013年11月～2014年1月3个月间共80天的PM2.5和PM10的质量浓度和气象数据,每小时1组数据(00：00,01：00,···,23：00),每天24组,共1 920组数据。

1.3样品分析

分析样品取自上述PM2.5和PM10自动监测仪,滤膜为聚四氟乙烯材质,仪器内部为恒温恒湿环境(温度15°C,湿度45%),滤膜装入仪器后,仪器根据设定程序自动上膜和卸膜,滤膜从仪器中取出后密封,4°C保存。电镜样品的制备是用高压喷枪将滤膜上的颗粒物喷吹到1 cm×1 cm的导电双面胶上,再将导电胶粘贴在样品台上,样品喷金后放入电镜样品仓,采用日本Hitachi公司S-4800型扫描电子显微镜(SEM)(加速电压为10 kV)对颗粒物微观形貌进行观察。采用岛津能量色散X射线光谱仪EDX-720分析PM2.5和PM10颗粒物表面的化学成分。

2　结果与讨论

2.1PM2.5及PM10日均浓度

在2013年11月～2014年1月为期3个月的监测中共获得PM2.5及PM10有效日均值80个,其日均值统计结果见表1,每月PM2.5和PM10的质量浓度(ρ)日均变化如图2所示。由图表数据可见：PM2.5质量浓度变化幅度很大,最小值和最大值分别为10.90µg/m3和516.77µg/m3,最大值是最小值的近48倍;PM10质量浓度的变化幅度也较大,最小值和最大值分别为19.30µg/m3和541.44µg/m3,最大值是最小值的28倍。其中最小日均浓度出现在2014年1月9日,最大日均浓度出现在2013年12月6日。PM2.5与PM10的浓度比值R维持在0.5～0.8之间,呈波动变化,整体来说,PM2.5和PM10质量浓度较大时,R值也较大,说明当污染较为严重时,PM2.5的贡献更大。由图2可见,每月PM2.5和PM10的日均质量浓度基本呈波动变化,在每个较大值出现前,均出现一个质量浓度的累积增加过程,如12月6日达到最大值之前,PM2.5日均质量浓度超过75µg/m3的天数已累积达到6天,在12月6日之后又持续了3天。

表1　2013年11月～2014年1月PM2.5和PM10的日均值统计Tab.1　The daily meanstatistics of PM2.5and PM10from Nov.2013 to Jan.2014

图2　2013年11月～2014年1月PM2.5及PM10日均质量浓度变化情况Fig.2 Mass concentration variation of PM2.5&PM10from Nov.2013 to Jan.2014

2.2污染水平

2012年3月2日,国家环保部发布新修订的《环境空气质量标准》(GB 3095-2012),其中二级浓度限值规定“居民区的PM2.5年平均浓度不得超过35µg/m3,PM2.5的24 h平均浓度不得超过75µg/m3”。此标准大大超过世界卫生组织(WHO)提出的年平均10µg/m3、24 h平均25µg/m3的准则值,也高于欧美等发达国家,但与WHO过渡期第1阶段目标值相同。表2列出了本监测点数据与其他国家环境空气质量标准浓度限值相比较的结果,本监测点PM2.5日均浓度的超标数为35～71、超标率为43.75%～88.75%、最大超标倍数为6.89～20.67倍。可见在监测时段内,该监测点附近的空气污染情况较为严重。

表2　与其他国家空气质量标准的比较Tab.2　Comparison with air quality standards of some of nationalfor number of exceed std.,ratio of exceed std.andmaximum multiple of exceed std

2.3天气条件对PM2.5和PM10的影响

在污染物排放相对平衡的情况下,气象条件是影响PM2.5和PM10污染程度的重要因素。已有研究结果表明,在一定范围内,PM2.5和PM10的质量浓度与风速呈负相关性,随风速的增加而减小[9];与相对湿度呈正相关性,随相对湿度增加而增大[10-11];而温度与PM2.5及PM10的质量浓度之间则无明显相关性。

例如2013年11月PM2.5及PM10浓度最低的一天为11月11日,此前与此后几天(11月9日～11月14日)都是阴雨天气,总体PM2.5及PM10浓度都偏低,如图2所示。但在这一时间段前后的11月8日及11月15日,作为晴到多云的好天气,这两天的PM2.5及PM10浓度就明显较高达到250µg/m3甚至390µg/m3。表3列出了2013年11月8～15日的天气情况,气象数据来源于中国天气网(http：//www.weather.com.cn/)。

表3　监测期间部分天气情况及其与PM2.5和PM10的关系Tab.3 The weather of some days during the period of monitoring and the relationship of PM2.5&PM10with the weather

同样,风力大小对PM2.5和PM10质量浓度变化的影响也非常明显。根据记录,12月2日早8点和晚8点显示实时风力为0,PM2.5和PM10当日的平均浓度达到了405.15µg/m3和477µg/m3。而1月8日早8点和晚8点风力分别为西风2级和东北风3级,且当天的体感风力也很大,所以当天的PM2.5和PM10的平均浓度为22.9µg/m3和35.8µg/m3。综和风力条件来看,无风的天气中PM2.5以及PM10的浓度总体偏大。风不仅对污染物有输送作用,还起到稀释扩散作用。

本文监测时段内(冬季)上海市以来自大陆偏北风为主,风速较小,降水相对夏秋季偏少,不仅不利于污染物的稀释扩散,而且会将内陆污染物向位于东南部的上海输送,这是近几年上海冬季雾霾天气偏多的一个重要原因。

2.4污染物分析

扫描电子显微镜(SEM)观测结果如图3、图4所示。从宏观角度观察,PM10和PM2.5的外形相似(图3(a)、图4(a)),但PM10颗粒物边界较为明显,颗粒形状规整,而PM2.5一般没有规律的形状,颗粒边界也较为模糊(图3(c)、图4(c))。吕森林等[12]的研究表明,上海的PM2.5主要由烟尘集合体、燃煤飞灰、矿物颗粒、生物质颗粒和不明物质等组成,与本文SEM观测结果吻合。EDX定性分析结果表明, PM10和PM2.5除含有较大量的Fe、Cu、Zn、Ni等常见元素外,还含有Cr、Cd、Pb、Mn、Sn等有毒有害重金属元素,对空气质量和人体健康的危害显著。分析图谱如图5、图6所示。

PM2.5是由来自许多不同的人为或自然污染源的大量不同化学组分组成的一种复杂而可变的污染物。它的来源主要有道路、建筑和农业产生的扬尘以及汽车、锅炉、废物焚烧、露天烧烤、焚烧秸杆、居民烧柴等。采样点设在上海第二工业大学的环境楼楼顶,周围为开阔农田,附近无较大工厂,但采样点距四周主干道均不足3 km,尤其是位于西侧的外环高速S20,是环绕上海市的一条主干交通要道,连接出入上海的各大高速公路,车流量非常大,所造成的道路扬尘、汽车尾气等,是本监测点附近PM2.5和PM10的主要来源之一。

图3　PM2.5颗粒物样本的SEM图Fig.3 SEM images of PM2.5sample

图4　PM10颗粒物样本的SEM图Fig.4 SEM images of PM10sample

图5　PM2.5样本EDX定性分析谱图Fig.5 EDX qualitative analysisspectrogram of PM2.5sample

图6　PM10样本EDX定性分析谱图Fig.6 EDX qualitative analysisspectrogram of PM10sample

3　结论

本文对上海市浦东新区曹路镇附近大气中的PM2.5和PM10进行了为期3个月的连续自动监测,研究结果表明,该处PM2.5和PM10污染较为严重, 24 h平均值分别达到86.59µg/m3和118.15µg/m3,均超过我国现行的国家空气二级质量标准浓度限值,其中PM2.5超标率为43.75%,最大超标倍数为6.89倍。综合气象、地理因素可见,该地区大气颗粒物污染以外部输入为主,本地道路扬尘、汽车尾气、居民取暖、农业生产等也有较大的贡献。

本研究主要是对上海市浦东地区大气PM2.5和PM10的污染状况进行了监测和分析,为研究该区域大气中PM2.5和PM10的污染问题积累一定的基础资料。以该项研究为先导,今后将进一步对PM2.5和PM10颗粒物进行成分分析和来源解析,继续探索大气污染的成因与治理途径。

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Analysis on the Air Pollution Characters of PM2.5and PM10in Winter in Shanghai Pudong

LI Jia-qi,LI Xiu-li,YANG Di-fei,TAO Ying
(School of Environmental and Materials Engineering,Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China)

To investigate the pollution characteristic of PM2.5and PM10in the area of Shanghai Pudong in winter,a continuous automatic monitoring was taken for 3 months which set the Shanghai Second Polytechnic University as the monitoring point.The pollutant was analyzed then.The results showed that the air pollution in this area in the monitoring period was quite serious.The minimums of the daily average concentrations of PM2.5and PM10were much more than the current national secondary air quality standard concentration limit.The main pollutant of the atmosphere particles was input from outside based on the analysis results of the pollutant’s morphology and composition,combined with the factors of the weather and geography.The raise dust from the local roadway and the automobile exhaust were also had major contribution.There were various heavy metal elements in the pollutant and with more harm to the atmosphere quality and human health.

PM2.5;PM10;mass concentration;pollution character

R122

A

1001-4543(2015)04-0283-07

2015-04-23

李秀丽(1980—),女,浙江杭州人,讲师,博士,主要研究方向为环境监测。电子邮箱xlli@sspu.edu.cn。

上海第二工业大学校培育学科项目(No.XXKPY1303)、上海市大学生创新项目(No.2013-sj-cxjh-005)资助